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DE3230388A1 - Verfahren zum verbinden einer in ein aus einem leichtmetallwerkstoff gegossenes bauteil fuer brennkraftmaschinen eingiessbare aus einem keramikwerkstoff bestehende einlage - Google Patents

Verfahren zum verbinden einer in ein aus einem leichtmetallwerkstoff gegossenes bauteil fuer brennkraftmaschinen eingiessbare aus einem keramikwerkstoff bestehende einlage

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DE3230388A1
DE3230388A1 DE19823230388 DE3230388A DE3230388A1 DE 3230388 A1 DE3230388 A1 DE 3230388A1 DE 19823230388 DE19823230388 DE 19823230388 DE 3230388 A DE3230388 A DE 3230388A DE 3230388 A1 DE3230388 A1 DE 3230388A1
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DE
Germany
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light metal
insert
ceramic material
cast
metal material
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Withdrawn
Application number
DE19823230388
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English (en)
Inventor
Siegfried Dr.-Ing. 7107 Neckarsulm Mielke
Wilfried Dipl.-Ing. Sander
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Kolbenschmidt AG
Original Assignee
Karl Schmidt 7107 Neckarsulm GmbH
Karl Schmidt GmbH
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Publication date
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Description

Karl SCHMIDT GMBH ? 13. August 198
Postfach 20 DRQ/USCHW (0889)
7107 Neckarsulm
Prov. Nr. 8911 KS
Verfahren zum Verbinden einer in ein aus einem Leichtmetallwerkstoff gegossenes Bauteil für Brennkraftmaschinen eingießbare aus einem Keramikwerkstoff bestehenden Einlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer in ein aus einem Leichtmetallw.erkstof f, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung des Typs AlSil2CuNiMg gegossenes Bauteil für Brennkraftmaschinen, insbesondere deren Kolben, in dessen thermisch hochbelasteten Zonen und/oder zur thermischen Isolierung eingießbaren aus einem Keramikwerkstoff kleiner Wärmeleitzahl, kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten und kleinen Elastizitätsmoduls bestehenden Einlage.
Bei Brennkraftmaschinen führen die zunehmenden Forderungen nach höherer Leistung pro Zylinder und Erhöhung der Abgastemperatur bei gleichzeitiger Begrenzung bzw. Verringerung der über das Kühlsystem abzuführenden Verlustwärmemenge zur besseren Energieausnutzung des Kraftstoff durch se-
kundäre Maßnahmen, wie z.B. Abgasturbolader, einerseits zu hohen thermischen Belastungen der Bauteile und verlangen andererseits deren thermische Isolierung.
In neuerer Zeit ist u.a. versucht worden, derartige Beanspruchungen dadurch zu vermeiden, wenigstens jedoch herabzusetzen, indem an aus Leichtmetallwerkstoff bestehenden Bauteile von Brennkraftmaschinen in den entsprechend belasteten Zonen aus Keramikwerkstoff gebildete Schutzelemente angeordnet worden sind. So ist z.B. bei "Stang, J.H.: Designing Adiabatic Engine Components, SEA 780 069" ein Leichtmetallkolben mit aufgeschraubtem, gegenüber der Basis durch Stahlscheiben isoliertem Keramikboden vorgesehen. Mit einem solchen Leichtmetallkolben können Temperaturen um 900 0C am Kolbenboden erreicht werden. Nachteilig sind jedoch die Herstellungskosten eines den Fetigkeitsanforderungen genügenden Keramik-Schutzelements sowie das relativ große Totvolurnen oberhalb der ersten Ringnute.
Bekannt geworden ist auch ein Leichtmetallkolben mit im Kolbenboden angeordneter Brennraummulde, an deren Rand zum Schutz gegen thermische Belastung ein aus einem Keramikwerkstoff mit kleinem Wä'rmeleitkoeffizient (Λ-' = 2 W/mK), kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten [J, = 1,5 χ 10 /K)
4 2 und kleinem Elastizitätsmodul (E = 2 χ 10 N/mm ) bestehender Ring ausreichender Druckfestigkeit aus Aluminiumtitanat (Al2TiO5) mit eingegossen ist, der eine sehr gute thermische Ermüdungsfestigkeit und Thermoschockbeständigkeit besitzt. Durch die Kontraktion des Leichtmetallwerkstoffs beim Erstarren nach dem Gießen entsteht zwischen dem aus einem Keramikwerkstoff bestehenden Ring und dem ihn umgebenden Leichtmetallwerkstoff eine Schrumpfverbindung. Durch die sich daraus ergebenden Druckspannungen wird sowohl der Festsitz des Ringes gewährleistet als auch in dem Ring Druckspannungen erzeugt.
Infolge der im Motorbetrieb auftretenden Verformungen des Leichtmetallkolbens ergeben sich im Bereich des Kolbenbodens sowohl Zug- als auch Druckspannungen, wobei sich die dabei in dem Ring auftretenden Zugspannungen den aus der Schrumpfverbindung herrührenden Druckspannungen überlagern. Solange die Druckspannungen in dem Ring größer als die Zugspannungen sind, ist sichergestellt, daß insgesamt keine oder nur geringe Zugspannungen in dem Ring auftreten. Dieses Verhalten ist für die Dauerhaltbarkeit des Ringes von entscheidender Bedeutung, da Keramikwerkstoffe in der Regel wesentlich größere Druck- als Zugspannungen bruchfrei ertragen können. So sind z.B. für Aluminiumtitanat nur Zugspannungen ^ 40 N/mm zulässig, während Druckspannungen bis zum 10-fachen dieses Viertes ohne Bruch ertragen werden. Solange also die Druckspannungen gegenüber den Zugspannungen groß genug sind, ist damit eine ausreichende Sicherheit gegen Bruch und Lockerung des Ringes gegeben. Dies ist jedoch bei längerer Betriebsdauer des Kolbens nicht gewährleistet, da es bei den im Leichtmetallkolben auftretenden Temperaturen von ^> 250 0C schon nach relativ kurzer Betriebsdauer zum Abbau der aus der Schrumpfverbindung stammenden Druckspannungen durch Kriech- und/oder Relaxationvorgänge kommt, die zur Lockerung bzw. zum Bruch des Ringes und damit zur Beeinträchtigung der Funktion des Leichtmetallkolbens mit allen Folgeschäden führen. So konnte beispielsweise an einem aus der Aluminiumlegierung des Typs AlSil2CuNiMg gegossenen Leichtmetallkolben mit einem am Rand der Brennraummulde eingegossenen aus Aluminiumtitanat bestehenden Ring nachgewiesen werden, daß die anfängliche, aus der Schrumpfver-
2 bindung herrührende Druckspannung von ca. 60 N/mm bei einer unter einer Temperatur von 250 0C erfolgenden kon-
2 stanten Dehnung nach 100 Stunden auf 20 N/mm abgesunken war. Die sich durch die Kriech- und/oder Relaxationsvorgänge in der Aluminiumlegierung im Ring ergebenden hohen Zugspannungen führen zu Rissen im Ring und damit zu einer
Lockerung des Ringes, was eine Funktionsbeeinträchtigung des Kolbens zur Folge hat. Aus diesem Grunde hat man bisher darauf verzichtet, aus Keramikwerkstoffen bestehende Einlagen in thermisch hochbelastete Zonen bzw. zur thermischen Isolierung in aus Leichtmetallwerkstoffen bestehende Bauteile von Brennkraftmaschinen einzugießen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine feste Verbindung zwischen in aus Leichtmetallwerkstoffen bestehende Bauteile für Brennkraftmaschinen eingießbare Einlagen aus keramischen Werkstoff und den Leichtmetallwerkstoffen selbst zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe sieht vor, daß auf die aus einem Keramikwerkstoff bestehende Einlage vor dem Eingießen in den Leichtmetallwerkstoff erfindungsgemäß ein wenigstens bis zu 300 0C gegen Kriechen und/oder Relaxation beständiger metallischer Werkstoff aufgeschrumpft wird.
Für das Aufschrumpfen sind insbesondere Eisenwerkstoffe, vorzugsweise jedoch austenitisches Gußeisen mit lamellarer Ausbildung des Graphits, geeignet, die eine hohe Kriech- und/oder Relaxationsfestigkeit bis zu einer Temperatur von ca. 350 0C besitzen. Die unter Betriebsbedingungen kriech- und relaxationsfesten Eisenwerkstoffe gewährleisten für eine lange Betriebsdauer eine feste Schrumpfverbindung mit hohen Druckspannungen in der aus einem Keramikwerkstoff bestehenden Einlage. Zweckmäßigerweise wird ein aus einem Eisenwerkstoff bestehendes ringförmiges Außenteil auf die Einlage aufgeschrumpft.
Als keramischer Werkstoff kommen für die Einlage insbesondere Aluminiumtitanat aber auch Oxid, ,Carbid, Nitrid, Borid- und Silizid-Keramiken in Betracht, deren WärmeleitkoeffizientOO W/mK, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten K 10 χ 10 /K und deren Elastizitätsmodul
λ Ό
< 7 χ 10 N/mm ist.
Das auf diese Weise hergestellte, aus einem Eisen- und einem Keramikwerkstoff gebildete Verbundwerkstück wird in die Gießformen für die Herstellung der aus Leichtmetallwerkstoffen bestehenden Bauteile für Brennkraftmaschinen angeordnet und in bekannter Weise eingegossen, indem es entweder mit dem Leichtmetallwerkstoff verankert und/oder über eine intermetallische Zwischenschicht verbunden wird. Bei letzterem Verfahren wird das umgossene Verbundwerkstück in einer Leichtmetallschmelze auf 700 bis 750 0C erhitzt, wobei sich ein überzug von Fe3Al5 und darüber liegendem Reinaluminium bildet; danach erfolgt das An- oder Umgießen mit dem Leichtmetallwerkstoff.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert:
Fig. 1 zeigt einen aus einem Leichtmetallwerkstoff gegossenen Kolben 1 mit dem Kolbenboden 2 angeordneter Brennraummulde 3, in die ein Verbundwerkstück 4, das aus einem topfförmigen aus einem Keramikwerkstoff bestehenden Innenteil 5 und einem auf dessen Außenumfang aufgeschrumpften aus Stahl bestehenden ringförmigen Außenteil 6 gebildet ist, eingegossen ist.
Gemäß Fig. 2 ist in die im Kolbenboden 7 des aus einem Leichtmetallwerkstoff gegossenen Kolbens 8 befindliche Brennraummulde 9 ein aus einem hohlzylinderförmigen aus einem Keramikwerkstoff bestehenden Innenteil 10 und einem auf dessen Außenumfang aufgeschrumpften ringförmigen Außenteil 11 aus austenitischem Sondergußeisen gebildetes Verbundwerkstück 12 eingegossen. Das Außenteil 11 ist über eine intermetallische Verbundschicht 13 mit dem Leichtmetallwerkstoff verbunden.
Nach Fig. 3 ist in die im Kolbenboden 14 des aus einem Leichtmetallwerkstoff gegossenen Kolbens 15 befindliche Brennraummulde 16 das Verbundwerkstück 17 eingegossen, das
aus einem hohlzylinderförmigen aus Keramikwerkstoff bestehenden Innenteil 18 und aus dem auf dessen Außenmantel aufgeschrumpften aus austenitischem Sondergußeisen bestehenden Außenteil 19 aufgebaut ist. Das Außenteil 19 ist einteilig über die Arme 20 mit dem aus dem gleichen Werkstoff bestehenden Ringträger 21 verbunden, wobei der Ringträger 21 im Bereich der Arme 20 über eine intermetallische Verbundschicht 22 mit dem Leichtmetallwerkstoff verbunden ist.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. wiedergegeben. Der Boden 23 des aus einem Leichtmetallwerkstoff gegossenen Kolbenkörpers 24 ist durch das die Brennraummulde 25 aufweisende aus Keramikwerkstoff bestehende Innenteil 26 gebildet, dessen Umfang gegenüber dem Mantel des Kolbenkörpers 24 zurückgesetzt und auf dem ein Stahlring 27 aufgeschrumpft ist. Im den Stahlring ist die erste Ringnute 28 eingebracht. Die Verbindung zwischen dem Innenteil 26 und dem Kolbenkörper 24 erfolgt entweder über eine zwischen dem Kolbenkörper 24 und dem kolbenschaftseitig zurückgesetzten Abschnitt des Stahlrings 27 befindliche intermetallische Verbundschicht 29 (linke Hälfte der Fig. 4) oder durch Formschluß mittels eines an dem kolbenschaftseitig zurückgesetzten Abschnitt des Stahlrings 27 angeordneten Außenflansches 30 (rechte Hälfte der Fig. 4). Durch eine derartige Gestaltung des Kolbens wird die Reduzierung des Totvolumens erreicht und der Ölkohleaufbau am Feuersteg verhindert.

Claims (4)

323038Ü PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Verbinden einer in ein aus einem Leichtmetallwerkstoff, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung des Typs AlSil2CuNiMg gegossenes Bauteil für Brennkraftmaschinen, insbesondere deren Kolben, in dessen thermisch hochbelasteten Zonen und/oder zur thermischen Isolierung eingießbaren aus einem Keramikwerkstoff kleiner Wärmeleitkoeffizient, kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten und kleinen Elastizitätsmoduls bestehenden Einlage, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Einlage (5, 10, 18, 26) vor dem Eingießen ein gegen Kriechen und/oder Raxalation beständiger metallischer Werkstoff aufgeschrumpft wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Einlage (5, 10, 18, 26) ein bis wenigstens 300 0C gegen Kriechen und/oder Relaxation beständiger metallischer Werkstoff aufgeschrumpft wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Einlage vorzugsweise Eisenwerkstoff, insbesondere austenitischem Gußeisen mit lamellarer Ausbildung des Graphits aufgeschrumpft wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einlage (5, 10, 18, 26) ein Keramikwerkstoff mit einem Wärmeleitkoeffizient v. 10 W/mK, einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ^ 10 χ 10 /K und einem
<4 2
7 χ 10 N/mm verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, 'dadurch gekennzeichnet, daß als Keramikwerkstoff Aluminiumtitanat vorzugsweise in Form eines Ringes (6, 11, 19, 27) verwendet wird.
DE19823230388 1982-08-14 1982-08-14 Verfahren zum verbinden einer in ein aus einem leichtmetallwerkstoff gegossenes bauteil fuer brennkraftmaschinen eingiessbare aus einem keramikwerkstoff bestehende einlage Withdrawn DE3230388A1 (de)

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BR8304366A BR8304366A (pt) 1982-08-14 1983-08-12 Processo para unir uma insercao fundivel consistindo de um material em ceramico em um componente de construcao fundido de material de metal leve, destinado a motores de combustao interna

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